智能农业需求分析.doc

结合最近的市场调研，针对目前西瓜种植过程中出现的问题，如土地的选择、土地的最大化利用、温湿度、水分、CO2浓度及光照的需求等，整理出智能农业（农作物为西瓜）需求分析文档。该文档由沈阳师范大学可信软件学院嵌入式方向小组成员完成。2013年12月17日智能农业需求分析沈阳师范大学科信软件学院 目 录一、 引言51.1 目的51.2 系统开发背景51.3 文档格式51.4 预期的读者和阅读建议61.5 范围61.6 术语61.7 参考文献7二、 系统概述82.1 概述82.2 系统功能92.2.1 温室环境实时监控92.2.2 智能报警系统92.2.3 远程自动控制92.2.4 历史数据分析102.2.4 手机客户端102.3 运行环境102.4 假设与依赖11三、 系统特性123.1 系统角色123.2系统概述123.3 ZigBee用于智能农业大棚的可行性分析133.4 系统特点及优势14四、 系统功能描述184.1 数据采集184.1.1 温度、湿度检测流程图184.2 视频监控194.3 数据存储194.4 数据分析194.5 远程控制194.6 错误报警194.7 统一认证204.8 手机监控20五、 智能农业体系结构图215.1 系统总体结构设计215.2 分系统模块功能实现描述235.2.1 智能农业远程控制网络235.2.2 农业网关235.2.3 农业主节点245.2.4 农业设备节点245.3 主体硬件选型255.3.1 ZigBee硬件选型255.3.2 数据采集部分设计26六、 风险性分析306.1 经济风险性306.1.1中国整体大环境经济306.1.2国际经济风险306.1.3中国智能家居产业行业重点区域运行分析316.1.4区域经济侧重风险326.2 智能家居行业政策风险326.2.1分析智能家居宏观产业政策336.2.2 避环保政策风险336.2.3 规避节能政策风险336.2.4 规避区域政策风险336.3 项目开发风险346.3.1项目选择风险346.3.2 方案设计风险346.3.3 方案经济风险346.3.4 组织实验风险346.4 行业市场风险356.4.1 产品市场需求风险356.4.2 智能家居项目产品市场前景预测366.4.3 至今为止市场容量分析376.4.4 价格风险386.5 参考文献38 一、引言1.1 目的本文档的目的是增产增收、节约资源、保障安全。智能农业还能促进农村产业结构调整，实现科技对农业的贡献，并在保持水土平衡、调节气候、改善地理环境，促进生态平衡方面发挥重大作用，具有良好的社会效益和生态效益。1.2 系统开发背景我国人口占世界总人口的22%，耕地面积只占世界耕地面积的7%。随着经济的飞速发展,人民生活水平不断提高，资源短缺、环境恶化与人口剧增的矛盾却越来越突出。特别是我国加入世贸组织后,国外价格低廉的优质农副产品源源不断地流入我国,这对我国的农产品市场构成极大威胁。因此,如何提高我国农产品的质量和生产效率,如何对大面积土地的规模化耕种实施信息技术指导下科学的精确管理,是一个既前沿又当务之急的科研课题。棉花套种西瓜，能充分利用棉花苗期行间空闲，提高土地利用率，增加经济效益。棉花与西瓜套种，使棉农前期可以收获西瓜，后期可收获棉花，并且套种比纯作棉花基本不减产。土壤的改良利用应遵循因地制宜，统一规划，综合治理的原则。主要措施可概括为三个方面：一是水利措施，包括排水、灌溉、放淤；二是农业生物措施，包括平整土地、土壤培肥、种植耐碱作物与绿肥；三是化学改良措施，主要是使用化学改良剂。西瓜根系发达，耐早、耐瘠薄，对土壤的适应性强。但西瓜根系生长需要较高的土温，需要一定的空气氧含量，不耐水涝，故最适宜种西瓜的土壤是土质疏松、有一定保水保肥能力的沙填土。沙壤土的通透性好，春季升温快，有利于西瓜根系的发育伸展，栽培西瓜发苗快，果实易早热，品质好。特殊土壤种西瓜时还应采取不同的管理措施。1.3 文档格式本文档按以下要求和约定进行书写：（1）页面的左边距为2.5cm，右边距为2.0cm，装订线靠左，行距为最小值20磅。（2）标题最多分三级，分别为宋体小三、宋体四号、宋体小四，标题均加粗。（3）正文字体为宋体小四号，无特殊情况下，字体颜色均采用黑色。（4）出现序号的段落不采用自动编号功能而采用人工编号，各级别的序号依次为（1）、1）、a)等，特殊情况另作规定。1.4 预期的读者和阅读建议本文档的主要内容共分4部分：综合描述、系统特性、和非功能性需求和外部接口描述。综合描述部分主要对系统的整体结构进行了大致的介绍；系统特性部分对系统的功能需求进行了详细描述，是本文的主要部分；非功能性需求部分对非功能需求进行了详细的描述；外部接口需求部分对用户界面、软件接口、硬件接口和通讯接口等进行了描述。本文档面向多种读者对象：（1）项目经理：项目经理可以根据该文档了解预期产品的功能，并据此进行系统设计、项目管理。（2）设计员：对需求进行分析，并设计出系统，包括数据库的设计。（3）程序员：配合设计报告，了解系统功能，编写用户手册。（4）销售人员：了解预期产品的功能和性能。（5）用户：了解预期产品的功能和性能，并与分析人员一起对整个需求进行讨论和协商。1.5 范围农业生产具有地域性、季节性和周期性的特点，农业生产问题的认知过程是非常复杂的行为，涉及环境、气候、土壤、品种、水分、肥力、技术、管理等多个因素。所以本产品适用与任何种植地点，能够改善土土壤情况、温度等诸多因素。1.6 术语(1) 智能农业是指在相对可控的环境条件下，采用工业化生产，实现集约高效可持续发展的现代超前农业生产方式，就是农业先进设施与露地相配套、具有高度的技术规范和高效益的集约化规模经营的生产方式。(2) 客户端（Client）亦称为用户端。是指与服务器相对应，为客户提供本地服务的程序。客户端在运行时需要建立特定的通信连接，使用网络中有相应的服务器和服务程序来提供相应的服务。(3) 无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，并通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。(4) 传感技术是敏感功能材料科学、传感器技术、微细加工技术等多学科技术相互交叉而形成的新技术。其中，传感器技术是涉及传感（检测）原理、传感器件设计、传感器开发和应用的综合技术。(5) TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议，在网络中提供可靠数据传输和无连接数据服务的一组协议。提供可靠数据传输的协议称为传输控制协议TCP，提供无联接数据服务的协议称为网际协议IP。1.7 参考文献 农业智能系统 赵春江 著 农业物联网导论 李道亮 著智能农业专家系统工程史继宝 杨连志 王孝岐 李春芝 著基于全信息的智能农业装备技术专利战略研究 赵旭 著物联网技术应用 张海涛 马健 著二、系统概述2.1 概述为了对农业生产起到指导作用，智能农业系统需要对主要的农业生产影响因素进行监测和控制。整套系统主要利用传感器技术、通信技术及计算机技术实现其功能。利用传感器对不同的影响因素进行信号的采集，并做初步的处理后，通过无线通信技术传输到上位计算机中，由计算机进行数据的分析和管理，并经过时间上的数据积累，与农业专家一起，构建具备初步完善的专家数据平台，给农业生产带来指导性作用。同时，为了调节不适合农业作物生长的因素，仍然需要一套完备的下位机控制系统，实现被监测参数的调节和完善。智能农业系统整体组成框图如图所示。其他设备通风窗风扇补光灯遮阳帘控制部分执行机通讯接口打印机ARM数 据采集温度传感湿度传感光照传感计算机土水分二氧化碳 模拟 屏其他传感器降温设备二氧化碳发生器水泵智能农业系统所使用的传感器需要满足农业生产的要求，实现数据的实时采集。本系统采用的专业传感器，具有稳定性好、精度高等特点，在实际应用过程中，效果显著。通信部分则采用无线通信方式，农业基地的空旷性给无线通信的实现带来了便利，有线通信反而会对农业生产产生影响。中央控制处理器是所有参数的集中点，采用32位的ARM处理器来实现，采用linux操作系统进行资源的管理，性能更稳定。2.2 系统功能2.2.1 温室环境实时监控（1） 通过电脑或者手机远程查看温室的实时环境数据，包括空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、光照度、二氧化碳浓度、氧气浓度等。远程实时查看温室视频监控视频，并可以保存录像文件，防止农作物被盗等状况出现。（2） 温室环境报警记录及时提醒，用户可直接处理报警，系统记录处理信息，可以远程控制温室设备。（3） 远程、自动化控制温室内环境设备，提高工作效率，如自动灌溉系统、风机、侧窗、顶窗等。（4） 用户可以直观查看温室环境数据的实时曲线图，及时掌握温室农作物生长环境。2.2.2 智能报警系统（1） 系统可以灵活的设置各个温室不同环境参数的上下阀值。一旦超出阀值，系统可以根据配置，通过手机短信、系统消息等方式提醒相应管理者。（2）报警提醒内容可根据模板灵活设置，根据不同客户需求可以设置不同的提醒内容，最大程度满足客户个性化需求。（3）可以根据报警记录查看关联的温室设备，更加及时、快速远程控制温室设备，高效处理温室环境问题。（4）可及时发现不正常状态设备，通过短信或系统消息及时提醒管理者，保证系统稳定运行。2.2.3 远程自动控制（1） 系统通过先进的远程工业自动化控制技术，让用户足不出户远程控制温室设备。（2）可以自定义规则，让整个温室设备随环境参数变化自动控制，比如当土壤湿度过低时，温室灌溉系统自动开始浇水。（3）提供手机客户端，客户可以通过手机在任意地点远程控制温室的所有设备。2.2.4 历史数据分析（1）系统可以通过不同条件组合查询和对比历史环境数据。（2）支持列表和图表两种不同方式查看，用户可以更直观看到历史数据曲线。（3）与农业生产数据建立统一的数据模型，系统通过数据挖掘等技术可以分析更适合农作物生长、最能提高农作物产量的环境参数，辅助决策。2.2.4 手机客户端（1） 用户可以通过该智能农业监控系统手机客户端，随时随地查看自己负责温室的环境参数。（2）用户可以使用手机端及时接受、查看温室环境报警信息。（3）通过手机端，用户可以远程自动控制温室环境设备，如自动灌溉系统、风机、顶窗等。2.3 运行环境该系统为B/S三层结构，它的运行环境分为客户端、中央控制器和硬件执行机构三部分。以下是系统的运行环境。（1）客户端智能手机或个人笔记本电脑。（2）中央控制器ARM9或ARM7平台。（3）硬件执行机构 温湿度传感器节点：Sensirion公司生产的具有12C总线接口的单片全校 准数字式相对湿度和温度传感器SHTll。 光照传感器节点：安捷伦科技公司的模拟输出型环境光照传感器APDS 9002光传感器。 CO2传感器节点：MSP4100P二氧化碳传感器灵敏度高，长期稳定性好，受环境温湿度情况影响较小，使用方便，寿命长。 土壤水分检测节点：TRS-I/TRS-II数显土壤水势测定仪可以在田间定位检 测和观测土壤水势，从而可进一步获取土壤水分、导水率等土壤水利性质参数。 土壤微量元素检测节点：迅捷牌YN型土壤微量元素检测仪集仪器与药品于 一体，配备了进行规定项目化验所必需的全部装备，可独立在乡、村进行测定。 2.4 假设与依赖本项目是否能够成功实施，主要取决于以下的条件：（1） 沈阳师范大学软件学院系统的运行提供必要的且能够满足系统运行条件的硬件环境和通讯环境，不合适的硬件环境和通讯环境将会影响系统的性能。（2） 开发小组掌握先进的能够适用于该项目的技术，这是系统的性能是否优化和项目能否成功的保证。（3） 项目团队是否稳定，不稳定的团队将影响项目的进度和质量。（4） 项目前期的问题定义是否合理，就问题定义研究的可行性分析是否可行，前期的工作将决定后期的进度。三、系统特性3.1 系统角色智能手机或PC机：智能手机或PC机担任用户客服端，为用户提供该直观的图形界面，在图形界面中用户就可以实现对大棚的远程控制或其距离控制。ARM9或ARM7：ARM9或ARM7是智能家居系统的“大脑”，他不仅接受用户的命令，同时也接受传感器或检测装置采集的数据，并按事先规定好的规则办事其一，将用户的命令分析并作出决定发出相应的执行命令，是硬件执行机构完成用户交代的任务；其次，它将采集机构（各种检测装置或传感器）传来的信息分析、加工、处理、判断，将相应的信息发给用户（智能手机或PC机）。传感器或检测装置：在此系统中，传感器或检测装置担任“监督”的角色，他们在一定的时间段内采集数据并将之做适当的处理（或不处理）传给中央控制器，实时监控大棚内情况。,硬件执行机构：执行中央控制器发出的命令。3.2系统概述智能化农业信息技术利用计算机的网络通信能力 , 帮助人们在广泛的范围内快速地获得各种有用的信息；利用计算机的大容量存储能 力 , 帮助人们快速地存放和取出大量有用信息；利用计算机的高速运算能力 , 帮助人们对各类 信息进行快速的科学处理 , 运用各种知识 , 模仿人类专家的思维方法 , 对错综复杂的各类问题 进行快速而有效的定性分析和推理判断；利用声图文并茂的人机交互手段 , 人们既可以方便 地向计算机输入各种信息 , 也可以形象地从计算机那里咨询到所需的信息 , 向农业生产者形象 而及时地传播各类农业生产知识、农业高新技术成果以及农业经济等实用信息 , 为各级农业 管理者和生产者及时提供有关农业资源利用、 农业动态监测、 各类农作物综合管理智能决策、 精准施肥、病虫害综合防治、灾情预报等宏观决策信息；还可以综合各种单项农业技术 , 实 现更高层次的多项农业技术集成 , 起到多层次多方面农业专家的作用 , 实现低耗、 高产、 高效、 优质 , 是世界农业发展的新趋势 , 也是我国农业迈向 21 世纪的最佳选择。目前农业信息化技术在农业中的应用已经从零散的点的应用发展到全面应用，信息的有效沟通和高效利用使得农业生产系统、农业管理系统、农业市场系统、农村生活系统等农业系统的运转更加有效、智慧，物联网技术的发展将真正促成智慧农业的诞生。农业的可持续发展、和谐农村、农业资源的有效利用和环境保护，这些被不断提及和关注的问题会得到更优化的解决方法。我们的系统则具备如下特点：(1)低成本：大量的控制器和传感器终端节点是大棚控制网络中控制的主要对象，这种较大规模的网络需要一个低成本的节点组网技术。(2)跨平台：智能农业系统的使用环境是一个大棚环境，整个系统中有着错综复杂的平台，不能强制要求用户能够对系统进行复杂的配置和管理，网络环境下各种资源的自组织和协同工作显得非常重要。(3)可扩展性：能够在系统主架构不做改动的情况下进行维护和扩展，加入新的的智能农业设备。(4)远程控制：移动终端设备能够接入Internet并登录到智能农业控制系统中，进行信息交互，实现远程监控和控制。我们的目标是一方面总结国外发展经济，根据中国的国情找准自己的切入点，另 一方面切实做好有关基于Zigbee无线技术的物联网应用与研究开发,力求走出 适合中国国情的精确农业的发展道路。我们基于客户需求持续创新，在物联网传感器、物联网模块、移动物联网和云计算等几大领域都确定了行业领先地位。物体感知、数据传输等领域的综合优势在物联网Zigbee技术的引领下，现代化的 精准农业采用了先进的温室大棚种植技术。可以在阳光不足的时候，通过物联产 品自动补充人造光线，促进光合作用；可以在湿度不够的时候，通过物联产品自 动为农作物补充水份；更可以创造一个恒温的空间，让农作物一年四季不停的生 长，生生不息总之一句话，您可以按照自己的要求随心所欲的控制阳光、空 气、雨露等等。内置先进的温度感应器，物联无线温度湿度传感器可实时为您监测温室中的温度，通过无线Zigbee技术，可与温室中的空调设备相连，当室内温度超过或低于系统设定范围时，可自动打开或关闭空调设备。本系统任务提出者为沈阳师范大学软件学院王小薇老师。系统开发参与者有罗莎莎、宋丹、孙太峰、田柱、卢维维、秦帅、苏明阳、孙承宇、宁宝军、陶世伟。系统使用者是面向广大消费者。技术支持有：综合布线技术、Zigbee通信技术、 安全防范技术、自动控制技术。3.3 ZigBee用于智能农业大棚的可行性分析大棚控制网络是整个智能大棚控制系统的神经和核心，对于大棚控制网络而言，必须满足如下要求：(1)可靠性，大棚控制网络要求数据传输的可靠性不能因为干扰或者信道阻塞而下降，要保证大棚主节点与大棚设备节点之间安全、无差错的数据传输。ZigBee的MAC层采用talk-whenready碰撞避免机制，这种方式大大提高了系统数据传输的可靠性。在talk-whenready机制下，数据接收端收到每一个数据包之后都会进行确认并将确认信息返回给发送方，发送方若在规定的时间之内没有接收到返回信息，即证明发生了“碰撞”，数据将会再次重新传输，另外ZigBee还提供了鉴权和数据校验功能。(2)成本，在一个大棚中可能有几十甚至上百个设备节点，对于众多的节点来说，成本是相当可观的。目前，ZigBee芯片的成本大约在4美元左右，对于大批量应用而言ZigBee设备的成本可以做到2美元以下。随着半导体集成技术的发展，ZigBee芯片的体积将会变得越来越小，价格也会降得更低。(3)可扩展性，在大棚节点设备不会一成不变，而在实际应用中经常需要添加或者删减设备节点，当设备节点数目发生变动时，系统应当具备一定的机制扩充网络节点，而不需要改变网络的结构。ZigBee网络中每个FFD设备可连接多达255个节点，而几个FFD之间则可形成一个更大的无线网络，ZigBee网络对路由传输的数目则没有限制。(4)安全性，大棚控制网络中的节点之间的信道不能被非法监听和修改，应该是可靠加密的。ZigBee采用ASE128加密机制进行数据传输，并可以灵活确定其加密属性。ZigBee联盟开发了ZigBee的安全层，以保证在远距离的数据传输中节点不会意外泄漏其标识或者被其它节点获得15J。(5)信号覆盖率，大棚的范围在10100米之间，且大棚之间有墙壁阻隔，各设备网络节点之间必须能够穿透墙壁在一定距离之间进行可靠通信。ZigBee的有效覆盖范围可达100米左右，并且该频段对于墙壁有比较好的穿透性，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而改变，一般都能够覆盖短距离的范围。3.4 系统特点及优势（1）人性化设计 我们的物联智能农业系统还可通过设置，随时将温室中的温度情况发送到您的手机上，以便您及时了解，省去经常往大棚跑的麻烦。此外，物联无线温度湿度传感器采用无线控制技术，省去您的布线烦恼，让您的温室更添整洁清爽。（2）营造作物生长必要舒适湿度环境 适宜的湿度环境也是作物生长的先决条件之一，我们也同样贴心为您考虑到了这一点。物联无线温度湿度传感器，通过监测平台，同步获取温室内空气的湿度系数，当湿度系数不在您的设定值范围内时，可自动控制通风设备等的运行，使空气湿度控制在作物生长适宜的湿度范围内。同样的，只需一部手机在手，您就能随时随地的获取所有信息。我们全力打造最前沿的Zigbee技术产品，为您的作物生长提供最适宜的土壤环境。物联无线土壤温度湿度传感器，可持续监测土壤中的水分和温度，并及时将数据传输到监测平台或您的手机中。您可根据显示数据，设置是否打开或关闭温室中的灌溉系统及通风设备等。（3）极强的适应能力众所周知，土壤成分的多样化，其中不乏存在酸性物质等，物联无线土壤温度湿度传感器，外壳采用了高科技的耐腐蚀材料，适用于各类土壤水分的测量，性能温定，可靠性高，大大节省了您的维护时间。（4）操作简单，方便快捷无线控制技术，操作更为简单直观，让每一位使用者都能得心应手！（5）物联无线光照传感器，作物的贴心管家绿色植物进行光合作用总是依赖着阳光的存在，然而，吸取过多的阳光，在某些时候，对某些特定的作物来讲，却不一定都是百利无一害的。物联无线光照传感器，采用对弱光也有较高灵敏度的硅兰光伏探测器作为传感器，随时监测记录太阳光线的强度。通过无线Zigbee技术，物联无线光照传感器还可与相关的补光系统、遮阳系统等设备相连，在有需要时，自动打开相关设备，为您的作物生长打造完美的光照环境。（6）巧妙设计，给您更多惊喜科技的日异月新，我们的农业发展规模也越来越大，我们更加迫切需要的是，测量范围更宽阔的物联无线光照传感器。外形线条流畅，还具备良好的防水能力，即使是刮风下雨也不会影响它的工作。无线技术控制，让您使用更方便，安装更简单！（7）有效控制作物的光合作用我们都知道，作物吸收二氧化碳进行光合作用，产生养分，进行新陈代谢。然而，空气中过多的二氧化碳却反而会抑制作物的生长。如何随时监测空气中二氧化碳的浓度，确保给作物生长提供最佳的生长环境？物联太阳能无线二氧化碳传感器的出现，最大程度上解决您的烦恼。我们拥有专利的烟雾收集器设计，运用先进的Zigbee技术，当空气中的二氧化碳浓度超过系统设定阙值范围后，可自动打开与之相连的通风设备，也可增加对作物的光照，使之进行更多的光和作用，从而减少二氧化碳的浓度。（8）绿色更环保，方便更耐用利用太阳能供电，不会对周围环境产生任何影响，只为您创造更自然的“绿色农业”。外壳采用多重防护，不受外界高湿等环境影响，确保传感器可靠稳定工作。（9）让您从繁杂的工作解放出来管理庞大的农作物基地、温室大棚，总是会用到各种各样的现代化电器设备。当空气和土壤温湿度出现变化时，加热器、加湿器、鼓风机等便是至关重要的存在；当光照强度过高时，便是遮阳网一显身手的时候了如此之多的电器设备要一一通电后才能运行，可要在这面积广阔的农田、温室大棚放置冗长错乱的电源插座，不光耗费人力物力，更会成为您自由行走的重重障碍。偌大的农作物基地，无需帮忙，一人搞定，您相信吗？物联无线智能插座的出现，恰如其分地解决了您的燃眉之急！基于先进的Zigbee技术，可支持无线终端设备与无线网络，从而达到无线智能控制插座开关的效果，具有稳定的无线控制功能。还可以通过物联无线网关，连接到您的手机、电脑或其它任何移动设备上，如此一来，您只需一个按钮就能搞定所以难题，让您在收获的同时，享受到智能农业所带来的便捷与快乐！（10）操作简便，让您尽享悠闲时光您无需担心对物联无线智能插座的操控问题，我们按您的实际需要设定好内在程序，您只需将其接通电源，按下识别按钮，就可加入网络进行控制。先进的无线技术，免除您的布线烦恼，让您不必再为杂乱无章的电源插座线头疼，为您倾心打造智能农业时代！ 农作物的灌溉历来是农业劳作的重头戏。物联无线电磁阀，使在没有标准电源情况下灌溉系统的自动化成为可能！可根据作物需水量要求,设置不同的灌溉程序，为您节省宝贵时间！（11）智能化设计物联无线电磁阀，采用全新的双密封电池盒，有着优异的防水性能，可在水下3.5米处正常运行，所以您完全不必担心它会不适应阀门箱内的恶劣环境。内部先进的智能系统，能满足需水量不同的各种作物的灌溉需求。而且，所有安装部件均在地下，有效的减少了人为损坏的可能，为您节省能耗！ 基于先进的Zigbee技术，物联无线电磁阀可与您的监控平台实现无线通讯，还可与您的手机联网，让操作更为简单！（12）为您打造绿色农业物联无线电磁阀的电池寿命足以满足整个灌溉季节的需要，每年只需更换一次电池，节能更环保！（13）总指挥官智能化的农业管理体系，所有的操作指令总是少不了它的“大脑”通信控制中心设备，也就是我们的物联无线网关。它是将Zigbee 无线网络信号和互联网网络相互连接的桥接设备，实现Zigbee 网络设备与互联网网络设备之间的监测与控制。有了它，您可以随时随地在互联网上浏览您的温室大棚最新情况，并且还可以进行远程操控！（14）简洁直观，方便操控物联无线网关，基于先进的Zigbee网络技术，成本低廉，是一般人都能负担的价格；控制更简单，让每一位刚接触的人都能轻松使用；功耗更低、组网更方便、网络更健壮，给您带来高科技的全新感受！（15）让您的网络更灵活您的温室大棚规模越大，在使用智能农业系统中，要准确及时地操控所有设备，最值得关注的应该就是网络信号的稳定性。鉴于温室大棚的网络覆盖区域比较广泛，我们贴心为您呈现物联无线中继器！它能有效连接物联Internet通信网关和超出物联Internet通信网关有效控制区域的其它Zigbee网络设备，实现中继组网，扩大覆盖区域，并传输网关的控制命令到相关网络设备，达到预期传输和控制的效果。基于先进的Zigbee技术，物联无线中继器无需接入网线，就可自行中继组网，扩散网络信号，让您的网络灵活顺畅运行，保障您的所有设备正常运行。四、系统功能描述4.1 数据采集 温室内温度、湿度、光照度、土壤含水量等数据通过有线或无线网络传递给数据处理系统，如果传感器上报的参数超标，系统出现阈值告警，并可以自动控制相关设备进行智能调节。4.1.1 温度、湿度检测流程图温湿度控制系统流程图如下图所示数据采集部分数据流程图：客户端数据部分数据流程图： 4.2 视频监控 用户随时随地通过3G手机或电脑可以观看到温室内的实际影像，对农作物生长进程进行远程监控。4.3 数据存储 系统可对历史数据进行存储，形成知识库，以备随时进行处 理和查询。4.4 数据分析 系统将采集到的数值通过直观的形式向用户展示时间分布状况（折线图）和空间分布状况（场图），提供日报、月报等历史报表。 4.5 远程控制用户在任何时间、任何地点通过任意能上网终端，均可实现对温室内各种设备进行远程控制。4.6 错误报警 系统允许用户制定自定义的数据范围，超出范围的错误情况会在系统中进行标注，以达到报警的目的。4.7 统一认证 系统实现统一认证、集中管理控制，包括用户管理、设备管理、认证管理、权限管理等功能。4.8 手机监控 3G手机可以实现与电脑终端同样的功能，实时查看各种由传感器传来的数据，并能调节温室内喷淋、卷帘、风机等各种设备。五、智能农业体系结构图 5.1 系统总体结构设计智能农业控制系统是以ZigBee技术为基础综台Intnet络通信技术、GPRS无线通信建立起来的一套完整的农业控制系统。设训目的是将农业中的设各连接到网络之中，使传统农业设各具有网络化、自动化、智能化的新特征。本系统需要在农业设备之上安装与之功能相对应的节点模块，这些节点模块包括了传感器、执行器和通信模块。 从功能层次来分，智能农业系统一般由农业设备节点、主节点、网关、终端控制。从网络层次上分为外部网络和内部网络两部分，分别对应Intemet网和ZigBee网络。农场控制网络信息检测设备 系统总体框图如图所示：网关 远程控制网络：移动终端，控制屏幕，计算机（GPRS WIFI）农场主节点 Internet执行设备设备节点：包括以下三部分部件：射频收发模块、运算和控制单元、传感和执行模块。射频收发模块作为系统中各网络节点的通信接口，进行网络中各节点设备的网络无线连接和无线数据或指令的收发。节点终端的传感和执行模块，主要进行情况的探测、三表数据的采集、对各种网络农场电的控制。这种控制或者检测功能需要通过运算和控制单元操作完成。在本系统中农业设备节点的硬件核心为基于CC2430的ZigBee无线收发模块。在农业子网中网络协调器FFD设备充当农业主节点，FFD负责监督网络的正常运行，由它主导ZigBee无线传感器网络的建立，完成网络的初始化、设备控制、数据采集等功能。子网中精简功能设备充当农业设备节点，主要完成传感采集、查询响应等功能，农业设备节点相互之间不能进行通信，只能与农业主节点进行通信。农业主节点与农业网关之间使用串口连接，可将数据上传到农业网关中。农业网关是智能农业控制系统的核心部分，主要完成农业内部网络各种设备之间的信息交换和信息共享，以及同外部通信网络之间的数据交换功能，同时网关一般还负责农业农业设备的管理和控制。外部网络：智能农业系统提供高速Internet接入和GPRS无线广域网接口，使得用户可以通过无线通信网络远程登录到农业网关智能农业管理系统，对系统进行管理和控制，终端节点进行数据访问或者控制。系统总体流程图：农业主节点（接收数据，处理）设备1农业网关（数据处理）远程控制网络：手机等移动终端，计算机（GPRS WIFI）感知，传输控制，接受数据系统整体数据流图：农业网关（数据处理）设备1Zigbee远程控制网络：手机等移动终端，计算机（GPRS WIFI）农业主节点（接收数据，处理）串口TCP/IP GPRS数据流程描述：各个节点模块将各自采集的信息经过处理之后通过农业控制子网传输到农业控制中心，农业控制中心将信息上传到农业网关，农业网关响应用户远程提交的查询指令通过Intemet将结果反馈到用户手中的移动终端之上。用户的控制指令按照相同的路径传输给节点模块执行设定操作。5.2 分系统模块功能实现描述5.2.1 智能农业远程控制网络选用TCP协议，即传输控制协议作为网络通讯协议。TCP协议是面向连接的协议，即进行网络传输时有一个连接的建立、维护和拆除的过程。在开始数据传输前发送方必须先与接收方建立连接，确认连接建立后再行数据的传输；在数据传输过程中保持已建立的连接；数据传输完成后双方再断开连接，这样就完成了一次完整的数据传输过程。在网络通信中通常使用Socket(套接字)来实现数据的传输。手机等移动端：数据连接功能连接到当地的GPRS业务节点，然后通过GPRS网关接入Internet，实现与农业网关的无线通信。手机等移动终端，计算机TCP/IP GPRS5.2.2 农业网关 农业内部网络采用的是基于ZigBee技术的轻量级的网络协议，要实现它与Intemet等外部TCPIP网络之间的互联，必须有一个用来完成协议转换的设备或功能部件，作为这两种网络连接的桥梁，在本文设计的系统中这个桥梁便是农业网关。农业网关是一个为用户提供各种农业控制服务的平台。农业网关对外可以提供各种远程智能控制接VI，操作者可以通过手机移动终端连接到Internet访问农业网关的相关接口，对农场中的农业设备节点进行数据访问或者控制。它的内容主要包括：同志管理、数据交互、人机界面和对内通信。本系统的农业网关利用6410或者PC，因为PC功能强大，支持多种设备接口，包括了操作系统和应用软件、网络支持等，能很方便的实现控制和网关功能，还可以根据实际需要定制软硬件和接口，使它的功能、可靠性和成本等各方面更适应智能农业系统的要求。相对PC来说，嵌入式不仅包括软件开发，还要完成大量的硬件开发和调试工作，将会增加项目难度，并且降低系统的灵活性。来承担，农业网关和农业主节点之间使用串口连接。农业网关（数据处理）串口TCP/IP GPRS5.2.3 农业主节点是农业控制网络的主控设备，要求必须由至少一个ZigBee网络的FFD设备组成，一方面它主导农业内部网络建立的整个过程，主要包括系统初始化、网络的建立、地址的分配和成员的加入、节点设备数据的更新、数据转发表、设备关联表等几个方面，另一方面作为农业网关和设备节点之间的桥梁，完成农业网关和农业设备节点的通信。农业主节点作为协调器，处于ZigBee网络的最上层，功能较为复杂，因此智能农业系统对农业主节点的硬件配置也有较高的要求。系统上电后，农业主节点首先选择一个空闲信道，采集活动节点信息，并为之分配一个唯一的节点号，完成系统地址表的初始化。系统运行过程中，农业主节点要与众多设备节点进行通信，并对它们进行相应的控制。除此之外，农业主节点必须能发现网络拓扑结构的改变，如设备节点的插入和拆除，修改和维护网络地址表的信息，实现网络的自组织功能。利用CC2430芯片中心节点的射频天线单元用来接收和发送电磁波信号，LCD显示模块用来显示网络状况、显示接收到的数据与指令信息，同时可配合按键模块，进行菜单界面的显示。农业主节点（接收数据，处理）zigbee串口5.2.4 农业设备节点是智能设备节点的底层终端主要包括三表计量节点、环境温度湿度监测和控制节点、报警信号采集节点、农场电控制节点、灯光控制节点等。设备节点单元主要包含射频收发块和传感器或受控终端以及两者之间的接口控制模块。射频收发模块作为系统中各网络节点的通信接口，进行网络中各节点设备的无线连接和无线数据或指令的收发。系统的终端传感或受控单元，主要进行环境中温度、湿度等各种数据的采集、非法闯入、火灾或有毒气体等意外灾难情况的探测以及对各种农场电设备的控制。5.3 主体硬件选型5.3.1 ZigBee硬件选型在介绍整个系统硬件设计之前，先介绍目前市场上的几款基于ZigBee技术的硬件平台及其各自特点。在ZigBee技术联盟中，Ti，Chipcon，FreeScale，Philips等公司都是ZigBee标准制订的先驱。在射频收发芯片方面，主要有Chipcon公司的CC24201。71，CC2430181和FreeScale公司的MCl3192，MCl3193所提供的两大解决方案。另外，还有Jennie和HelicoIll等公司开发的符合ZigBee规范的芯片和模块。(1)Chipcon公司(目前已被TI公司收购)推出的CC2420，它是一款符合IEEE802154规范的24GHz射频芯片，用来开发工业无线传感及农业组网等PAN网络的ZigBee各种产品。同时，Chipcon公司还推出了一款专门针对ZigBee技术的SoC芯片CC2430，它包含一个5l内核单片机与CC2420射频芯片。它基于018um CMOS工艺制成，只需极少外部元器件，且性能稳定且功耗极低。另外，TI公司还提供免费的ZigBee协议栈zstack以及配套的开发工具，方便用户在短期内开发适合于ZigBee的应用方案。(2)飞思卡尔ZigBeeReady芯片MCl3192，MCl3192是一款适用于ZigBee产品的RF器件。MCl3192只需极少外部元器件，性能稳定、功耗极低，MCl3192的选择性和敏感性指数超过了IEEE 802154标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。可以灵活的嵌入到既有的产品中，轻而易举实现无线感测和监控网络的功能。(3)英国Jennie公司的JN5121芯片是业界第一款兼容于IEEE 802154的低功耗，低成本无线微型控制器。该模块内置一款32位的RISC处理器，配置有24GHz频段的IEEE802154标准的无线收发器，为无线传感器网络应用提供了多种多样的解决方案，同时高度集成化的设计简化了总的系统成本。JN5121内置的硬件MAC地址和高度安全的AES加密算法加速器减小了系统的功耗和处理器的负载。JN5121支持晶振休眠和系统节能功能，同时提供了对于大量的模拟和数字外设的互操作支持，让用户可以方便的连接到自己的外部应用系统。(4)美国赫立讯Helicomm公司的ZigBee无线收发模块IPLinkl270，IP1inkl270是集成了射频收发器，微控制器，数字和模拟IO，多点多拓扑网络层功能于一体的半双工无线通讯系列模块。IPLinkl270系列模块内嵌的ZigBee V10网络通讯协议。以上的硬件平台都适用于ZigBee应用的开发。基于系统的集成度等方面进行综合考虑来选择硬件平台方案。CC2430卓越的性能也是本系统硬件选择的重要因素CC2430芯片的性能如下：较宽的电压范围(20-36 v)； 高性能和低功耗的51微控制器核； 在休眠模式时仅09衅的流耗，在待机模式时少于06“A的流耗；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA和25 IliA；集成符合IEEE 802154标准的24 GHz的无线电收发机；优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性；硬件支持CSM刖CA功能；数字化的RSSFLQl支持和强大的DMA功能；具有128 KB可编程Flash和8 KB的I乙蝴；外部的中断或RTC能唤醒系统；具有电池监测和温度感测功能：集成了14位模数转换的ADC；集成AES安全协处理器；带有2个强大的支持几组协议的USART，以及1个符合IEEE 802154规范的MAC 计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器；兼容RollS的7x7ram QLP48封装；强大和灵活的开发工具。5.3.2 数据采集部分设计物理信号的采集需要先经过传感器模块信号转换，将物理信息转化成电信号，然后再经过信号调理部分的去噪、滤波、放大、量化后才能被微控制器精确处理。目前，市场上传感器模块种类繁多，不同厂农场生产的传感器模块的规格与集成度也各不相同。根据传感器输出的信号类型，传感器可以分为：开关信号输出型，模拟信号(电压、电流)输出型，数字输出型。通常报警传感器输出的是开关型信号，当检测量超过某个阈值时，传感器输出一个开关信号触发报警。模拟型输出信号包括模拟电流和模拟电压，模拟电流首先经过电湔电压变换到模拟电压后，再将模拟电压经过AD变换数字化后被微处理器进行处理。数字型传感器集成了信号采集与调理以及AD数字化环节，并将转换后的数值在总线(如，12C，SPI)上发送出去等设计人员只需要将其与微控制器的IO引脚相连就可以实现采集数据的读取，操作非常方便。本文主要实现智能农业系统中的环境监测，主要监测对象为：温湿度，亮度，一氧化碳气体，火灾，非法入侵。针对不同的对象，传感器节点采用不同的传感器模块进行采集物理信息。根据传感器的类型，本文针对以上三种类型的传感器设计了应用电路，实现信的采集。（1）温湿度传感器节点本节点主要采用瑞士Sensirion公司生产的具有12C总线接口的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器SHTll231。该传感器采用独特的CMOS一技术，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点。该传感器可以同时测量相对湿度和温度；精确露点测量；超快响应时间(小于4s)；超小尺寸(75X5X25 nun)；可完全浸没水中：SHTll工作特性相对湿度传感器(RH) 温度传感器(T)范围：0looRH； 范围：舶到+123；精度：3RH(20至80RH)； 精度： 05在25时；响应时间：4秒； 09C(0到40)复现性：01RH； 响应时间：20秒分辨率：O03RH； 重复性：01工作温度：-40CN+120； 分辨率：001电气数据：能耗：典型30mW (5V，12-bit，测量周期2秒)典型lmW (24V，8-bit，测量周期2分)供电范围：24到55 V检测电流：05 mA待机电流：03 mA（2）亮度传感器节点本节点主要采用安捷伦科技公司的模拟输出型环境亮度传感器APDS9002光传感器。它采用微型ChipLED无铅表面封装，它是业内体积最小的器件之一，产品尺寸仅为200 mm125 mmX 080 him。其紧凑的封装缩小了电路板空间，从而可以实现外形更薄、功能更丰富的产品。另外，它可以在24V55V扩展电压范围内工作，其工作温度范围也扩大至-40到+85。在工作电压为3V，环境温度为25，负载为1K欧姆时的线性范围可达到1000LUX，如图417所示。一般情况下，室内照度可根据天气情况而有所不同，其照度一般在【1，500范围内。因此，APDsf9002光传感器的工作特性完全符合应用需求。（3）亮度传感器节点本节点主要采用安捷伦科技公司的模拟输出型环境亮度传感器APDS9002光传感器。它采用微型